CN103423701A - 用于led投光灯的复合曲面透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于LED投光灯的光学装置，特别涉及一种可用于多芯片LED混光的二次光学透镜。该透镜由一个折射准直部分、两个全反射部分、一个由微透镜阵列组成的出射面、边缘法兰以及用于装配的卡脚组合而成。二次光学透镜的底部中间位置有一折射准直部分，其有一个凸出的非球面。围绕着这一折射准直部分向外，分别有两圈全反射棱镜，其特征为至少有一圈全反射棱镜的外侧反射面为鳞片状多面体反射面，所述的二次光学透镜的上边，其有一个由微透镜阵列组成的出射面，根据配光角度及光斑形状，微透镜阵列可以有不同的曲率半径及排列方法。所述二次光学透镜的边缘法兰及其用于透镜定位的卡脚，为非工作部分，可以为任何形状。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于（LED（发光二极管固态照明）投光灯的光学装置，特别涉及一种可用于多芯片LED混光的二次光学透镜。
背景技术
室内照明中经常讲所谓的Par灯，英文的全称是"Parabolic AluminumReflector”，即抛物面铝制反光器，即投光灯。LED广泛应用之后，市场上继续沿用传统金卤灯的称呼，即LED的Par灯。传统的Par灯的光源一般都是几十瓦至上百瓦的金卤灯，换成LED之后，一般只需要几瓦至十多瓦的阵列芯片的LED。对于多芯片的LED，由于芯片的排列是一颗一颗的，如果使用表面光滑的透镜，那么因为成像效应，投射出来的光斑容易出现芯片排列的规则的阴影，对于红绿蓝不同颜色芯片的LED，投影出来不同位置处还会有彩色的不均匀的光斑，所以一般需要进行混光处理。另外，现有大部分透镜的基本结构为中间一个光滑的非球面透镜，围绕中间非球面透镜的周围只有一圈全反射棱镜，如图2所示。当灯具的口径比较大时，这种透镜的高度会很高，注塑时需要用很厚的塑胶料，因而注塑的缩水会比较严重，并且注塑一个透镜所需要的循环时间比较长，从而影响透镜的配光性能、透镜生产效率以及生产成本。
图2现有大部分LED透镜的基本结构为中间一个非球面透镜，围绕中间非球面透镜的周围有一圈全反射棱镜
因此期望生产一种高度减小到现有技术透镜的高度的一半的二次光学透镜。还期望的是生产一种具有反射光并能够进行混光的反射面的二次光学透镜，从而使透射光斑变化比较柔和，并且光斑中间和边缘具有相同的色温。消除因为成像效应而投射出来光斑中出现LED芯片排列的阴影。
发明内容
基于目前存在的这些状况，本发明提出了一种二次光学透镜，围绕透镜下边中间位置非球面部分的周围采用了两圈全反射棱镜，可以将透镜的高度缩短为原先的一半。并且至少有一个或两个全反射棱镜的外侧反射面为鳞片状多面体反射面，在反射光线的同时还可以起到混光的作用，使投射出来的光斑变化比较柔和，而且光斑中间及边缘具有相同的色温，消除因为成像效应而投射出来光斑中出现LED芯片排列的阴影。透镜上边出光面的微透镜阵列则可以根据需要配成不同的光束角。
根据本发明的第一方面，提供了一种透镜，该透镜包括：
设置在所述透镜的顶侧上的光出射面；
包括凸出的非球面的中央光折射准直部分，该中央光折射准直部分在所述透镜的中央处形成在所述透镜的底侧，用于折射和准直从LED（发光二极管）射向所述光出射面的光的第一部分；
围绕所述中央光折射准直部分形成的第一环状棱镜部分，该第一环状棱镜部分具有第一折射面和第一全反射面，由此从所述LED发射出的光的第二部分由所述第一折射面折射，然后由所述第一全反射面反射成朝向所述光出射面的平行光束；以及
围绕所述第一环状棱镜部分形成的第二环状棱镜部分，该第二环状棱镜部分具有第二折射面和第二全反射面，由此从所述LED发射的光的第三部分由所述第二折射面折射，然后由所述第二全反射面反射成朝向所述光出射面的平行光束。
在一个实施方式中，所述凸出的非球面被构造成接收以与所述透镜的光轴呈大约0°到大约32°的角发射的所述光的所述第一部分，所述第一折射面被构造成接收以与所述透镜的光轴呈大约32°到大约56°的角发射的所述光的所述第二部分，并且所述第二折射面被构造成接收以与所述透镜的光轴呈大约56°到大约90°的角发射的所述光的所述第三部分。
在一个实施方式中，所述光射出面包括微透镜阵列。
在一个实施方式中，所述微透镜的配光角度为大约8°到大约46°。
在一个实施方式中，所述微透镜阵列的排列是如下组中的任何一个：放射状排列、六边形蜂窝状排列和四方形网格状排列。
在一个实施方式中，所述第一和第二全反射面中的至少一个采取鱼鳞片状多面体的形式。
在一个实施方式中，所述第一和第二全反射面二者都采取具有相同形状的鱼鳞片状多面体的形式。
在一个实施方式中，所述第一和第二全反射面二者都采取具有不同形状的鱼鳞片状多面体的形式。
在一个实施方式中，所述第一全反射面是光滑面。
在一个实施方式中，所述第一全反射面采取鳞片状多面体的形式，该鳞片状多面体包括从由四方形表面、六边形表面和钻石形表面构成的组中选择的表面。
在一个实施方式中，所述第二全反射面采取鳞片状多面体的形式，该鳞片状多面体包括从由四方形表面、六边形表面和钻石形表面构成的组中选择的表面。
在一个实施方式中，所述LED是具有红色、绿色或蓝色中的一种或更多种颜色的单芯片或多芯片LED。
在一个实施方式中，该透镜进一步包括围绕所述第二环状棱镜部分形成的环状凸缘和从所述环状凸缘延伸出以便于所述透镜的定位的多个卡脚。
附图说明
结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实现，并且与说明书一起用来说明本发明的优点和原理，其中：
图1是根据本发明的第一实施方式的二次光学透镜的剖面图；
图2示出了现有技术的LED透镜的基本结构；
图3示出了图1的二次光学透镜的不同视图；
图4示出了图1的二次光学透镜的设计原理；
图5示出了图1的二次光学透镜的光线追迹；
图6示出了图1的二次光学透镜在一米距离处的照度分布；
图7示出了在直角坐标系中的坎德拉分布；
图8示出了在极坐标系中的坎德拉分布；
图9示出了在图1的二次光学透镜的侧面屏幕上的照度分布；
图10示出了根据本发明的第二实施方式的二次光学透镜的不同视图；以及
图11示出了根据本发明的第三实施方式、第四实施方式的二次光学透镜。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例。
实施例1：
本发明所涉及的二次光学透镜，其实施例1的剖面图如图1所示。该透镜由下边中间位置的一个非球面折射准直部分1、两个全反射部分2和3、由微小透镜阵列组成的出射面5、以及透镜边缘4组成。所述的二次光学透镜的下边中间位置的折射准直部分1，其特征为：其有一个非球面准直面11。围绕着非球面准直面11向外，分别有两圈全反射棱镜2和3，其特征为内侧全反射棱镜2的反射面22为光滑表面；外侧全反射棱镜3的反射面32为四方形鳞片状多面体反射面；所述的二次光学透镜的上边的出射面，其特征为由微小透镜阵列5组成，根据配光角度及光斑形状，微透镜阵列可以有不同的曲率半径及排列方法，本实施例优选为沿径向呈放射状排列。所述二次光学透镜的边缘法兰4设置有装配用的卡脚41，其用作透镜的定位，其为非工作部分，可以为任何形状。本发明所涉及的二次光学透镜，其所使用的LED可以为多芯片的LED，或者为单芯片的LED，其可以为白光LED或者红绿蓝彩色LED。
图3为本实施例的3视图，从左上到右下分别为正视图、等轴侧视图、俯视图、侧视图、以及底视图。图中可以看出，本实施例的透镜出光面的微透镜阵列5为沿径向呈放射状排列；内侧全反射棱镜2的反射面22为光滑表面；外侧全反射棱镜3的反射面32为四方形鳞片状多面体复合曲面反射面。
图4为本实施例的设计原理，图中从LED芯片发光面的中心点O发出的光线，其与光轴OZ的夹角在0～32度以内的光线，射向透镜下边中间位置的折射部分1，被非球面11折射后准直射向上方。从LED芯片发光面的中心点O发出的光线，其与光轴OZ的夹角在32～56度以内的光线，射向全反射棱镜2，经过圆柱面21折射后再被全反射面22反射，反射后准直射向上方。剩下与光轴OZ的夹角在56～90度以内的光线，射向全反射棱镜3，经过圆柱面31折射后再被全反射面32反射，反射后准直射向上方。本实施例的这3部分组合起来实现了将从LED芯片发光面的中心点O发出的、与光轴OZ的夹角在0～90度以内的所有光线都准直射向上方，从而实现了非常高的光学效率。
从本实施例透镜下边中间位置的折射部分1、内圈及外圈的全反射部分2和3准直而来的光线，经过透镜上方的微透镜阵列进行配光，微透镜阵列的配光角度与数值孔径角相吻合，假设配光角度为2θ角，则此配光角度的半宽度即为每个微透镜的数值孔径角θ：
NA=n·sinθ
式中n为透镜材料的折射率。微透镜的曲率半径可以按照上式的配光条件算出。
这里微透镜阵列的配光角度2θ可以为8～46°以内的任何角度，这里优选为24°。
因为每一个微透镜都对一小束光线进行2θ角范围的配光，许许多多的微透镜阵列的配光叠加起来，可以形成2θ角范围以内的均匀的光斑分布。光斑的分布非常的柔和，而且全反射棱镜的外侧反射面采用了鳞片状多面体的复合曲面设计，混光比较均匀，光斑从中间到边缘的色温一致，可以实现比较理想的室内照明的要求。
以下为本实施例的计算机模拟及光度分析。这里假设采用美国科锐公司的型号为CREE MT-G的多芯片LED光源，光通量为380流明，有一个屏幕放置于透镜前方1米远的位置用来分析射向前方的光斑形状及光度分布，另有一个屏幕放置于透镜的侧面用来观察侧面的光斑形状、照度分布及杂光的状况。
图5为本实施例1的光线追迹。图6为本实施例在1米远处的照度分布，可以看出光斑那分布为圆形，消除了因为成像效应而投射出来光斑中出现LED芯片排列的阴影。光斑的照度分布基本上呈圆滑的高斯分布形状。假设透镜材料的透过率为92%，则模拟得到屏幕上收集到的光通量为346.57流明，计算所得本实施例的有效光学效率约为：
η≈346.57/380·100%=91.2%
图7及图8为本实施例的光强的远场角度分布，图7为坎德拉直角坐标分布，图8为坎德拉极坐标分布，可以看出峰值光强一半位置处的光束角半宽度约为±12°，即光束角全宽度为24°。
图9为本实施例在侧面屏幕上的照度分布，光斑的最上方为透镜出光口的位置，可以看出光斑形状呈水滴形，出光口位置基本上没有杂光。
实施例2：
本发明所涉及的二次光学透镜，其实施例2的3视图如图10所示，这里外圈全反射棱镜3的反射面322设计成了钻石形鳞片状多面体反射面。其他特征则和实施例1相同。图中从左上到右下分别为正视图、等轴侧视图、俯视图、侧视图、以及底视图。
图中外圈全反射棱镜3的反射面322，其上面的每个钻石形鳞片的大小和实施例1所对应的四方形鳞片大小基本相同。所以除了外观不一样之外其混光效果和实施例1的混光效果基本一致。
其他实施例：
本发明所涉及的二次光学透镜，其他实施例的底视图如图11所示，其内圈全反射棱镜2的反射面以及外圈全反射棱镜3的反射面可以同时为相同或不同形状的鳞片状多面体反射面。在实施例3中，其内圈全反射棱镜2的反射面223以及外圈全反射棱镜3的反射面323同时为相同形状的四边形鳞片状反射面。在具体实施例4中，其内圈全反射棱镜2的反射面224以及外圈全反射棱镜3的反射面324同时为相同形状的钻石形鳞片状反射面。而在在具体实施例5中，其内圈全反射棱镜2的反射面225为钻石形鳞片反射面，外圈全反射棱镜3的反射面325却为不同形状的四边形鳞片状反射面。鳞片状反射面主要起混光作用，对于白光多芯片的LED，其可以在投射出来的光斑中间及边缘产生一致的色温，并且消除因为成像效应而投射出来光斑中出现LED芯片排列的阴影。
为了图示和描述之目的提供了本发明的上述实现的描述。这些不是穷尽性的，也不是为了将本发明限于所公开的精确形式。在上述教导的情况下可以进行各种修改和变型，这些修改和变型可以在实践本发明时获得。
Claims (13)
1.一种透镜，该透镜包括：
（a）设置在所述透镜的顶侧上的光出射面；
（b）包括凸出的非球面的中央光折射准直部分，该中央光折射准直部分在所述透镜的中央处形成在所述透镜的底侧，用于折射和准直从LED即发光二极管射向所述光出射面的光的第一部分；
（c）围绕所述中央光折射准直部分形成的第一环状棱镜部分，该第一环状棱镜部分具有第一折射面和第一全反射面，由此从所述LED发射出的光的第二部分由所述第一折射面折射，然后由所述第一全反射面反射成朝向所述光出射面的平行光束；以及
（d）围绕所述第一环状棱镜部分形成的第二环状棱镜部分，该第二环状棱镜部分具有第二折射面和第二全反射面，由此从所述LED发射出的光的第三部分由所述第二折射面折射，然后由所述第二全反射面反射成朝向所述光出射面的平行光束。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中所述凸出的非球面被构造成接收以与所述透镜的光轴呈大约0°到大约32°的角发射的所述光的所述第一部分，所述第一折射面被构造成接收以与所述透镜的光轴呈大约32°到大约56°的角发射的所述光的所述第二部分，并且所述第二折射面被构造成接收以与所述透镜的光轴呈大约56°到大约90°的角发射的所述光的所述第三部分。
3.根据权利要求1所述的透镜，其中所述光射出面包括微透镜阵列。
4.根据权利要求3所述的透镜，其中所述微透镜的配光角度为大约8°到大约46°。
5.根据权利要求3所述的透镜，其中所述微透镜阵列的排列是如下组中的任何一个：放射状排列、六边形蜂窝状排列和四方形网格状排列。
6.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一和第二全反射面中的至少一个采取鱼鳞片状多面体的形式。
7.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一和第二全反射面二者都采取具有相同形状的鱼鳞片状多面体的形式。
8.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一和第二全反射面二者都采取具有不同形状的鱼鳞片状多面体的形式。
9.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一全反射面是光滑面。
10.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一全反射面采取鳞片状多面体的形式，该鳞片状多面体包括从由四方形表面、六边形表面和钻石形表面构成的组中选择的表面。
11.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第二全反射面采取鳞片状多面体的形式，该鳞片状多面体包括从由四方形表面、六边形表面和钻石形表面构成的组中选择的表面。
12.根据权利要求1所述的透镜，其中所述LED是具有红色、绿色或蓝色中的一种或更多种颜色的单芯片或多芯片LED。
13.根据权利要求1所述的透镜，该透镜进一步包括围绕所述第二环状棱镜部分形成的环状凸缘和从所述环状凸缘延伸出以便于所述透镜的定位的多个卡脚。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131204 |